[産業上の利用分野]
本発明は、ジェットグラウト工法用セメント組成物、及びそれを用いたジェットグラウト工法、詳しくは、地盤中に0.5〜５ｍ程度の円柱状の硬化体を造成して地盤改良する際に用いるジェットグラウト工法用セメント組成物、及びジェットグラウト工法に関する。

[従来の技術とその課題]
一般に、地盤中に薬液を注入し、地盤を固結させたり、強度を増加させたり、透水性を減少させたりする工法として、また、それらの目的を達成させるための物質を注入する工法として、高圧噴射注入工法、水ガラス系注入工法、ベントナイト系注入工法、及びウレタン系注入工法等の薬液注入工法が行われている。

また、この高圧噴射注入工法には、ＣＣＰ工法(Chemical Churning Pile)や、セメントミルクを回転させながら、超高圧で噴射し、地盤を改良する工法として、ジェットグラウト工法がある。

そして、このジェットグラウト工法は、大きく２種類の工法に分類される。

一つは、超高圧で圧縮空気とセメントミルクを地盤中に回転しながら噴射して、短時間で地盤を切削すると同時に、掘削に伴って生じる掘削土やセメントミルク等が混合されたスライムを地表に排出し、円柱状の硬化体を造成するＪＳＧ工法(Jumbo-Jet Special Grout Method)であり、一つは、圧縮空気と超高圧水を地盤中で回転しながら噴射して地盤を切削し、そのスライムを地表に排出するとともにセメントミルクを同時に充填させ、円柱状の硬化体を造成するコラムジェットグラウト工法である。

しかしながら、これら工法では、セメントミルクを、高圧噴射して粘土を伴った粘性土や土砂と混合した際、粘度が上昇したりして注入が不完全となり、地盤を切削した際に発生したスライムが地表に排出されず、注入圧で地盤が持ち上がったり地盤改良がなされない等の課題があった。

また、スライムが上昇しやすいように水を添加すると、スライム量が増加し、処理費用がかさみ、杭強度も低下するなどの課題があった。

さらに、従来、リン酸塩を使用して、同様の結果を得る技術が開発されていたが、リンは環境の富栄養化をおこし、河川や湖沼を汚し、その使用は好ましくはなかった。

本発明者は、ジェットグラウト工法での前記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、ある特定のセメント組成物を使用することによって、前記課題を解決し、強固な地盤改良をすることができる知見を得て本発明を完成するに至った。

[課題を解決するための手段]
即ち、本発明は、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、及び炭酸カリウムから選ばれた一種又は二種以上を0.1〜30重量部、及びセメント100部を含有してなるジェットグラウト工法用セメント組成物であり、ジェットグラウト工法用セメント混和材が無機重炭酸塩、アンモニウム塩を含有してなる請求項１記載のジェットグラウト工法用セメント組成物であり、リン酸塩及び／又は無機硫酸塩を含有してなる請求項１記載のジェットグラウト工法用セメント組成物であり、請求項１又は請求項２記載のジェットグラウト工法用セメント組成物と水とを混合してなるセメントミルクを地盤中に高圧注入し、土と混合して硬化することを特徴とするジェットグラウト工法である。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明では、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、炭酸カリウムから選ばれた一種又は二種以上を0.1〜30部とセメント100部を含有してなるジェットグラウト工法用セメント組成物を、また、上記セメント組成物と、リン酸塩及び／又は無機硫酸塩を含有してなるジェットグラウト工法用セメント組成物を使用する。

炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、炭酸カリウムから選ばれた一種又は二種以上の炭酸塩は、適切な量を添加することにより強度発現を向上させる性質を兼ね備えているもので、具体的には、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、及び炭酸カリウムが挙げられ、これらの一種又は二種以上の使用が可能である。 これらの中で、凝結防止性の面や強度発現性の面から、炭酸ナトリウムの使用が好ましい。 炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、及び炭酸カリウムの粒度は、一般に市販されている製品の粒度であれば問題なく使用可能であるが、溶解性を考慮して、0.3mm以下の使用が好ましい。 炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、及び炭酸カリウムの使用量は、セメント100重量部に対して、0.1〜30重量部が好ましく、１〜20重量部がより好ましい。 0.1重量部より少ないと、強度発現性が期待できず、30重量部を超えて使用すると初期強度の発現性が低下する可能性がある。

本発明では、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、炭酸カリウムから選ばれた一種又は二種以上を含有するセメント混和材とセメントを特定の割合で配合してなるジェットグラウト工法用セメント混和材を使用するが、該セメント混和材は、さらに、無機重炭酸塩、アンモニウム塩、リン酸塩及び／又は無機硫酸塩を併用することも可能である。

本発明に係る無機重炭酸塩としては、炭酸水素ナトリウムや炭酸水素カリウムなどの炭酸水素アルカリ塩が挙げられる。

無機重炭酸塩の粒度は、特に限定されるものではなく、通常市販されている程度のものので十分である。

無機重炭酸塩の使用量は、ジェットグラウトのスライム粘度を低下し、スライム発生量を減少する面から、セメント100重量部に対して、100重量部以下が好ましく、0.1〜20重量部がより好ましい。 100重量部を超えて使用すると、短時間のうちに、セメント−粘土混合物の凝結が起こり、噴射管を閉塞させてしまうおそれがある。

本発明に係るアンモニウム塩としては、硫酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、クエン酸アンモニウム、及び硫酸アルミニウムアンモニウム等のいずれも使用可能である。 これらの中で、強度発現性の面や入手し易く安価な面から硫酸アンモニウムの使用が好ましい。 また、硫酸アンモニウムは肥料として一般に使用されており、環境破壊を引き起こす危険性も少ない。

アンモニウム塩の粒度は、一般に市販されている製品の粒度であれば使用可能であるが、溶解性を考慮して、0.3mm以下の使用が好ましい。

アンモニウム塩の使用量は、セメント100重量部に対して、0.5〜20重量部が好ましく、１〜10重量部がより好ましい。 0.5重量部より少ないと、セメントの凝結を防ぐことが難しく、20重量部を超えるとアンモニア臭による作業環境の悪化を招く可能性がある。

ここで、リン酸塩としては、リン酸一ナトリウム、リン酸二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、トリポリリン酸ナトリウム、トリメタリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、及びテトラポリリン酸ナトリウム又はこれらのカリウム塩等、いずれも使用可能であるが、凝結防止の面や強度発現性の面から、リン酸一ナトリウムやトリポリリン酸ナトリウムの使用が好ましい。

また、水溶性のリン酸塩で、セメントや土と混合すると流動性を増加するものは使用可能である。

リン酸塩の粒度は、特に限定されるものではなく、一般に市販されている製品の粒度であれば使用可能であるが、溶解性の面から、0.3mm以下の使用が好ましい。

リン酸塩の使用量は、セメント100重量部に対して、0.1〜30重量部が好ましく、１〜10重量部がより好ましい。 0.1重量部より少ないと、セメントの凝結を防ぐことが難しく、30重量部を超えると長短期強度が低下する可能性がある。

また、無機硫酸塩としては、硫酸カルシウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、及び硫酸マグネシウム等が挙げられ、これらの一種又は二種以上の使用が可能である。

また、硫酸アルミニウムに代表されるミョウバンや、ミョウバン石を焼成した焼成ミョウバン石の使用も可能である。

これらの中で、凝結防止性や強度発現性の面から硫酸カルシウム又は硫酸カルシウムの使用が好ましい。

無機硫酸塩の粒度は、ブレーン値で2,000cm ^２ /g以上が好ましい。

無機硫酸塩の使用量は、セメント100重量部に対して、１〜100重量部が好ましく、２〜40重量部がより好ましい。 １重量部より少ないとセメントの凝結を防ぐことが難しく、100重量部を超えると初期強度が不良となる可能性がある。

炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、及び炭酸カリウムから選ばれた一種又は二種以上を含有してなるジェットグラウト工法用セメント混和材、または、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、及び炭酸カリウムから選ばれた一種又は二種以上と、リン酸塩及び／又は無機硫酸塩を含有してなるジェットグラウト工法用セメント混和材の使用量は、セメントと該セメント混和材の合計100重量部に対して、0.5〜30重量部であり、１〜20重量部がより好ましい。 0.5重量部より少ないと、土等と混合した時のセメントの凝結を防ぐことが難しく、30重量部を超えると初期強度が不良となる可能性がある。

ここで、セメントとしては普通、早強、超早強、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、これらポルトランドセメントに高炉スラグやフライアッシュなどを混合した各種混合セメント、アルミナセメント類、速硬性セメント、カルシウムサルフォアルミネートを混合又は含有するセメント、並びに、市販されている微粒子セメント等が挙げられる。

本発明において使用する水の量は特に限定されるものではないが、例えば、セメント組成物100重量部に対して、50〜300重量部使用することが好ましい。

また本発明では、土質等の状態によりベントナイトや減水剤等のセメント混和剤を併用することが可能である。 特に、高性能減水剤の併用は効果的である。

本発明での混合、撹拌条件は特に限定されるものではないが、セメント組成物と水とをあらかじめ、回転数10〜1,000rpm程度で回転するグラウトミキサーで混合しておくことが好ましい。

次に、本発明のジェットグラウト工法用セメント組成物を使用したジェットグラウト工法について説明する。

まず、地盤改良が必要な場所を削孔する。 削孔の深さは、特に制限されるものではないが、20〜50ｍ程度が通常である。 削孔径は、特に制限されるものではないが、ロッドが挿入できる大きさであればよい。

次に、二重又は三重のロッドを挿入し、前記ジェットグラウトセメント組成物からなるセメントミルクをグラウトポンプ、超高圧ポンプ、又はコンプレッサー等を用いて圧送し噴射する。

セメントミルクの圧送圧力は、高い方が好ましいが、ノズルの摩耗等を考慮して50〜700kg/cm ^２程度で通常行われる。

送液量は、特に限定されるものではないが、30〜200リットル/min程度が好ましい。

セメントミルクが充填される円柱状の直径は、その充填深度によって大きく変化するが、例えば、充填深度が15〜40ｍの時は、１〜５ｍが適当である。

また、本発明のジェットグラウト工法用セメント組成物は、土等とセメントを混合する工法にすべて効果的で、単にジェットグラウト工法用のみに限定されるものではなく、その他、機械撹拌工法にも十分使用が可能である。

セメント100重量部に対して、無機塩Ａである無機重炭酸塩を表１に示すように混合し、水／セメント組成物比を150％とし、モルタルミキサーで２分間混合してセメントミルクを調整した。

水と混合すると粘性土と同様の性状を示す珪藻土と、このセメントミルクとを容積比で１：１の割合でさらにモルタルミキサーで２分間混合して混合物を作成した。

この混合物の粘度をＢ型粘度計で所定時間測定し、さらにこの混合物を４×４×16cmの型枠にいれ、硬化させて作った供試体を用いて所定材令における圧縮強度を測定した。 結果を表１に併記する。

＜使用材料＞
セメント ：電気化学工業社製普通ポルトランドセメント無機塩Ａ ：無機重炭酸塩、炭酸水素ナトリウム、試薬一級珪藻土 ：ＮＩＴＡＬＣ． 社製、主成分SiO _２

無機塩Ａはセメント100重量部に対する重量部、実験No.1- 1は比較例、それ以外は参考例 表１から明らかなように、無機重炭酸塩の使用量を増加させていくと、しだいにスライムの粘度が低下していく傾向にあり、使用量が５重量部程度からは、使用量を増やしても添加効果は見られない傾向がある。

セメント100重量部に対して、表２に示すように無機塩を混合したこと以外は実施例１と同様に行った。 結果を表２に併記する。

＜使用材料＞
無機塩Ｂ ：無機亜硫酸塩、亜硫酸水素ナトリウム、試薬一級無機塩Ｃ ：無機炭酸塩、炭酸ナトリウム、試薬一級無機塩Ｄ ：アンモニウム塩、硫酸アンモニウム、試薬一級

無機塩はセメント100重量部に対する重量部

表から明らかなように、強度発現性を阻害することなく、粘度を低下する効果が見られた。

セメント100重量部に対して、表３に示すように無機塩を混合したこと以外は実施例１と同様に行った。 結果を表３に併記する。

無機塩はセメント100重量部に対する重量部

表から明らかなように、無機塩を併用することによって、粘性低下の効果が得られ、各々単独で使用したときより、さらに粘性が低下し、併用による相乗効果が得られた。

セメント100重量部に対して、表４に示すように無機塩を混合したこと以外は実施例１と同様に行った。 結果を表４に併記する。

無機塩はセメント100重量部に対する重量部
表から明らかなように、無機塩を三種以上併用すると、粘度の低減効果を発揮する。

セメント100重量部に対して、表５に示すように無機塩を混合したこと以外は実施例１と同様に行った。 結果を表５に併記する。

＜使用材料＞
無機塩Ｅ ：リン酸塩、米山化学社製リン酸一ナトリウム無機塩Ｆ ：リン酸塩、米山化学社製トリポリリン酸ナトリウム

無機塩はセメント100重量部に対する重量部
表から明らかなように、リン酸塩と他の無機塩を併用しても、減粘効果が失われず、リン酸塩の使用量を低減することができる。

セメント100重量部に対して、表６に示すように無機塩を混合したこと以外は実施例１と同様に行った。 結果を表６に併記する。

＜使用材料＞
無機塩Ｇ ：無機硫酸塩、新秋田化成化学社製無水セッコウ粉砕品、ブレーン値 5,700cm ^２ /g

無機塩はセメント100重量部に対する重量部
表から明らかなように、無機塩Ｇである無機硫酸塩を併用することによって、長期強度を向上することが可能となる。

セメント100重量部に対して、表７に示すように無機塩を混合したこと以外は実施例１と同様に行った。 結果を表７に併記する。

無機塩はセメント100重量部に対する重量部
表から明らかなように、リン酸塩と無機塩Ｇである無機硫酸塩を併用することにより、減粘効果が失われず、リン酸塩の使用量を低減することができ、長期強度を向上することが可能となる。

無機塩Ａ２重量部、無機塩Ｂ２重量部、無機塩Ｇ６重量部からなるジェットグラウト工法用セメント混和材を、セメント100重量部に対して、表８に示すように変化したこと以外は実施例１と同様に行った。 結果を表８に併記する。

(1)セメント混和材はジェットグラウト工法用セメント混和材の略。
(2)セメント混和材欄はセメントとジェットグラウト工法用セメント混和材の合計100重量部に対する重量部
表から明らかなように、セメント混和材の使用割合を増加させることにより、減粘効果の向上も期待できる。

実際に、施工を行った現場の粘性土を用いて、表９に示すように無機塩を配合したセメント混和材を用いて、さらに実用性を評価するため実施例１と同様に行った。 結果を表９に示す。

＜使用材料＞
粘性土 ：火山灰質粘性土(有楽町層)、含水比108％

無機塩はセメント100重量部に対する重量部

表から明らかなように、実際の施工現場の粘性土を使用しても、良好な粘性低下を示し、圧縮強度は、施工上問題ない強度、材令28日で20kgf/cm ^２以上発現している。

表１０に示すような配合を用い、水／セメント組成物比150％のセメントミルクを調整し、深さ20ｍ、注入圧力200kg/cm ^２でＪＳＧ工法を実施した。

その結果、土壌の硬さを示すＮ値が０の粘性土でもスライムの上昇が極めて良好であり、そのスライムは３時間でも硬化せず、スライム処理が極めて円滑に進行した。 施工後、掘削したところ、径が約２ｍのパイル状硬化体が確認された。 パイル状硬化体の圧縮強度を測定した。 結果を表１０に併記する。

また、比較のため、本発明のセメント組成物を使用しないで同様に行ったが、スライムの粘度は、かなり上昇し、流動性がなく、スライムがケーシングの間隙につまり、周囲の地盤が膨張した。

無機塩はセメント100重量部に対する重量部
[発明の効果]
炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、及び炭酸カリウムを含有するセメント混和材とセメントを含有してなる組成物を使用することにより、リン酸塩の使用量を低減でき、強度性状や経済性に優れたジェットグラウト工法用セメント組成物とすることができ、さらに、施工上十分満足できる流動性をもたせることが可能となった。 無機重炭酸塩の併用により、リン酸塩を使用する必要はなくなり、リン公害の可能性のない作業性の優れたジェットグラウト工法用セメント混和材を開発することができた。